CC BY
58
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.257.15.026:622.232.522.24
ГИДРОСТРУЙНАЯ ЦЕМЕНТАЦИЯ В ДОРОЖНОМ
СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Е.В. Белякова, К.А. Головин, Р.А. Ковалев, А.Б .Копылов
Изложены основные подходы к разработке инженерной методики расчета основных параметров процесса ГСЦ при укреплении дорожного основания.
Ключевые слова: грунт, рациональная скорость перемещения инструмента, диаметр струеформирующей насадки, глубина цементации.
Высокое качество дорожной сети является одним из показателей развитого промышленного потенциала государства. Особенно это утверждение актуально для условий Российской Федерации, обладающей колоссальной территорией. К сожалению, в нашей стране отсутствовали стройные, долгосрочные, последовательные программы дорожного строительства. Неслучайно, поэтому, сегодня в послании Президента Федеральному собранию, дорожному строительству уделяется значительное внимание.
Причина неудовлетворительного состояния наших дорог заключается в их недостаточной способности основания выдержать многократные нагрузки без остаточных деформаций при очевидной тенденции увеличения интенсивности движения автомобилей, осевых нагрузок и удельного веса грузовых автомобилей в составе транспортного потока. Для устранения указанной проблемы еще на этапе проектирования конструкций дорожных покрытий должны быть выполнены условия выполнения требуемой грузоподъемности почвы.
Еще одним отягчающим фактором является то, что зачастую дорожное строительство ведется в сложных грунто-геологических условиях, вдали от коммуникационных путей и мест добычи строительных материалов.
Таким образом, вопрос разработки средств и методов усиления конструкции дорожного полотна, например, путем гидроструйной цементации исходных грунтов является крайне актуальным.
Грунты широко используются в качестве местных строительных материалов при сооружении дорог, аэродромов, плотин, оснований под фундаменты и т. д. Известно, что основная часть поверхности представлена дисперсными, в большинстве своём глинистыми грунтами. Дисперсные грунты отличаются большой изменчивостью свойств в зависимости от воздействия внешней среды: влаги, температуры, нагрузок и т. д. Проблема укрепления дисперсных грунтов, превращения их в полноценный строительный материал имеет большое теоретическое значение.
Таким образом, процесс закрепления грунтового массива методом
ГСЦ
при дорожном строительстве, а также разработка технологической оснастки обеспечивающей реализацию ГСЦ в области ее эффективного применения в конструкциях строительных дорожных машин для придании дорожным основаниям регламентированных физико-механических свойств следует считать актуальным.
Принципиально, работы по гидроструйной цементации дорожного полотна (далее по тексту ГСЦ) могут проводиться при расположении стру-еформирующего устройства как непосредственно на поверхности грунта, так и некотором расстоянии от поверхности. Первая схема более предпочтительна с точки зрения увеличения эффективности воздействия на закрепляемый массив и уменьшения потерь водоцементного раствора на разбрызгивание при входе струи в грунт, поэтому к рассмотрению принимаем случай, когда струеформирующая насадка находится непосредственно на поверхности закрепляемого массива.
Процесс ГСЦ (рис. 1) осуществляется следующим образом [1-5]: в струеформирующее устройство (диаметром коэффициентом расхода ¡и) осуществляется подача водоцементного раствора (с плотностью р) под высоким давлением Р. После этого осуществляется перемещение струефор-мирующего устройства со скоростью V по поверхности закрепляемого массива.
После затвердевания, формируется закрепленный массив треугольного сечения глубиной к и углом при вершине у.
Все перечисленные факторы процесса ГСЦ можно разделить на следующие группы:
- конструктивные: коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку ¡ , диаметр отверстия струеформируе-щей насадки d0;
- режимные: плотность водоцементной суспензии р, скорость перемещения инструмента V, давление водоцементной суспензии Р;
- физико-механические свойства горных пород (на основе анализа данных литературных источников в качестве критерия, характеризующего сопротивляемость грунтов гидроструйному воздействию принимаем С -коэффициент сцепления горной породы).
В качестве основных критериев оценки эффективности процесса ГСЦ горных пород были приняты следующие показатели: глубина закрепления к, скорость приращения объема закрепляемого массива G0 (производительность) и удельная энергоемкость процесса ГСЦ грунтов Е0.
к, у , ц Р, р V С
1 2 3
Рис. 1. Схема ГСЦ дорожного полотна: 1 - закрепляемое полотно; 2 - породобетон; 3 - струеформирующая насадка; к - глубина цементации, м; у-угол при вершине породобетонного массива, град; - диаметр струеформируещей
насадки, м; ц - коэффициент расхода через струеформирующую насадку; Р - давление цементного раствора, МПа; р - плотность водоцементной суспензии, кг/м3; V- скорость перемещения струеформирующей насадки, м/с; С - коэффициент сцепления горной
породы, МПа
Для обобщения экспериментальных данных, полученных на кафедре ГиСПС ТулГУ, был принят за основу экспериментально-статистический метод, который предусматривал графоаналитический анализ опытных данных с применением методов теории вероятности и математической ста-
тистики. При исследовании процесса ГСЦ горных пород эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих параметров (факторов) и условий. Наибольший практический интерес представляет получение обобщенной зависимости, позволяющей с известной степенью точности рассчитывать глубину цементации и энергоемкость процесса ГСЦ при различных условиях [6-10].
Исследования влияния каждого из перечисленных параметров на глубину цементации приводит к построению кривых, пользоваться которыми не совсем удобно. Неудобство пользования этими кривыми заключается в том, что разрозненные частные зависимости, связывающие между собой отдельные переменные (параметры) при фиксированном значении других параметров, не объединены общим уравнением и не могут дать полной отчетливой картины процесса ГСЦ. Поэтому для получения обобщающей количественной зависимости необходимо изыскать графоаналитический метод, которых позволит обобщить объем экспериментальных данных с учетом внутренних качественных и количественных связей между параметрами зависимости.
Часть критериев в процессе экспериментальных исследований не менялись и не были учтены итоговой зависимостью.
В табл. 1 указаны диапазоны изменения основных факторов процесса ГСЦ.
Таблица 1
Диапазоны изменения основных факторов процесса ГСЦ
Основные факторы Диапазон изменения
Давление водоцементной суспензии - Р, МПа 40 - 60
Диаметр струеформирующей насадки - йа, м 0,002 - 0,005
Скорость перемещения буровой колонны - V, м/с 0,005 - 0,020
Коэффициент сцепления горных пород - С, МПа 0,006 - 0,064
Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета диаметра закрепляемого массива:
к = 0,17 ф^оз. (1)
Индекс корреляции для данного выражения составил Я = 0,88, критерий Фишера Б = 65,8. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (1) при 5 % уровне значимости составляет Б0,05= 5,03, что под-
тверждает адекватность полученного выражения экспериментальным данным.
Рис. 2. Сопоставление экспериментальных Иэксп, и расчетных Ирас,
данных
Сопоставление экспериментальных данных с расчетными по формуле (1) показано на рис. 2. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Квар= 18,2 %, что указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных.
Список литературы
1. Перспективы развития гидроструйных технологий в горнодобывающей промышленности и подземном строительстве / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, Ю.Н. Наумов, М.М. Щеголевский // Горные машины и автоматика. №5. 2002. С. 2 - 10.
2. Головин К.А. К вопросу о струйной цементации грунтов / 2-й Международный северный социально-экологический конгресс. Труды 4-й Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 12-14 апреля 2006 г. (Филиал СПГИ(ТУ)) Воркутинский горный институт. - Воркута, 2006 г., С. 33-37.
3. Головин К. А. Диссертационная работа «Обоснование параметров и создание оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых пород в горном производстве».
4. Белякова Е.В., Головин К.А., Копылов А.Б. Прокладка коммуникаций под железными дорогами и автострадами бестраншейным способом. Транспортное строительство. №6, 2012. С. 10-12.
5. Особенности процесса гидроструйной цементации методом двух-компонентной струи / Е.В. Белякова, К. А. Головин, М.В. Гарипов, А.П. Назаров // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 2. 2012. С. 98-101.
6. Струйная цементация грунтов в городском строительстве/ И.В. Афонский, К.А. Головин, Р.А. Ковалев, Ю.Н. Пушилина // Транспортное строительство. № 11. 2014. С. 15-18.
7. Development of equipment for reinforcement of road surfaces by means of hydrojet cementation / K.A. Golovin, R.A. Kovalev, J.N. Pushilina, I.V. Afonskij // Modern Applied Science. 2015. Vol. 9. № 2. P. 62-78.
8. Головин К.А., Лебедев А.М., Пушкарев А.Е. Модель формирования струиводоцементного раствора при гидроструйной цементации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. № 11-2. С. 315-323.
9. Головин К.А., Говорова Е.В. К определению величины износа гидроструйного инструмента // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2011. № 2. С. 223-227.
10. Головин К.А., Пушкарев А.Е., Говорова Е.В. К вопросу о разработке современного гидроабразивного инструмента // Известия Тульского государственного универсиета. Науки о Земле. 2011. № 2. С. 227-231.
Белякова Елена Владимировна, канд. техн. наук, доцент, kagolovin@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Головин Константин Александрович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ковалев Роман Анатольевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Копылов Андрей Борисович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
WATER-JET CEMENTATION AT HIGHWAY ENGINEERING E.V. Beliykova, K.A. Golovin, R.A. Kovalev, A.B. Kopilov
Basic approaches to creating engineer method of calculating foundation parameters process of water-jet cementation by strengthening road base were submitted.
Key words: soli, rational velocity of moving instrument, diameter of stream forming head, cementation depth.
Beliykova Elena Vladimirovna, Candidate of Technical Sciences, Docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Golovin Konstantin Alexandrovich, Doctor of Sciences, Professor ka-golovin@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kovalev Roman Anatolievich, Doctor of Sciences, Professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Kopilov Andrei Borisovich, Doctor of Sciences, Professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Perspektivy razvitija gidrostrujnyh tehnologij v gorno-dobyvajushhej pro-myshlennosti i podzemnom stroitel'stve / K.A. Golo-vin, V.A. Brenner, A.B. Zhabin, A.E. Pushkarev, Ju.N. Naumov, M.M. Shhegolevskij // Gornye mashiny i avtomatika. №5. 2002. S. 2 - 10.
2. Golovin K.A. K voprosu o strujnoj cementacii gruntov / 2-oj mezhdunarodnyj severnyj social'no-jekologicheskij kongress. Trudy 4-j Mezhregional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii «Osvoenie mineral'nyh resursov Severa: problemy i reshenija», 1214 aprelja 2006 g. (Filial SPGI(TU)) Vorkutinskij gornyj institut. - Vorkuta, 2006 g., S. 3337.
3. Golovin K.A. Dissertacionnaja rabota «Obosnovanie paramet-rov i sozdanie obo-rudovanija dlja gidrostrujnoj cementacii neustoj-chivyh porod v gornom proizvodstve».
4. Beljakova E.V., Golovin K.A., Kopylov A.B. Prokladka kommu-nikacij pod zheleznymi dorogami i avtostradami bestranshejnym spo-sobom. Transportnoe stroitel'stvo. №6, 2012. S. 10-12.
5. Osobennosti processa gidrostrujnoj cementacii metodom dvuhkomponentnoj strui / E.V. Beljakova, K.A. Golovin, M.V. Garipov, A.P. Nazarov // Izvestija Tul'skogo gosu-darstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. Vyp. 2. 2012. S. 98-101.
6. Strujnaja cementacija gruntov v gorodskom stroitel'stve/ I.V. Afonskij, K.A. Golovin, R.A. Kovalev, Ju.N. Pushilina // Transport-noe stroitel'stvo. № 11. 2014. S. 15-18.
7. Development of equipment for reinforcement of road surfaces by means of hydro-jet cementation / K.A. Golovin, R.A. Kovalev, J.N. Pushilina, I.V. Afonskij // Modern Applied Science. 2015. Vol. 9. № 2. P. 62-78.
8. Golovin K.A., Lebedev A.M., Pushkarev A.E. Model' formi-rovanija struivodo-cementnogo rastvora pri gidrostrujnoj cementacii. Izvestija TulGU. Tehnicheskie nauki. 2014. № 11-2. S. 315-323.
9. Golovin K.A., Govorova E.V. K opredeleniju velichiny iznosa gidrostrujnogo instrumenta. Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2011. № 2. S. 223-227.
10. Golovin K.A., Pushkarev A.E., Govorova E.V. K voprosu o razrabotke sovre-mennogo gidroabrazivnogo instrumenta. Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universieta. Nauki o Zemle. 2011. № 2. S. 227-231.
